煤粉粒径对密相气力输送流型影响的数值模拟

针对目前密相气力输送数值模拟过程中所存在的关键问题,提出了一种描述固相内部相互作用对颗粒运动影响的数学模型,采用该模型能够对稠密气固两相流动(乃至颗粒发生大量沉积的情况)进行数值模拟.新模型在离散颗粒模型的基础上,通过描述颗粒所在局部空间的固相浓度及颗粒群运动特征所建立,使其既能够模拟悬浮流动的稀相颗粒运动,又能模拟管内出现堆积情况的密相气固两相流.利用所建立的数学模型对高压密相煤粉气力输送的颗粒流动过程进行了数值模拟.模拟结果显示,随着颗粒粒径增大,粉体密相气力输送流型从沉积层流变化为沙丘流,进而演变成栓塞流的演变过程,并结合实验验证了典型的栓塞流、沙丘流等流型特征;并且平均栓塞长度随着粒径的增大而减小,而随着粉体粒径的增大,输送管道中固相容积份额则整体上呈增大趋势.     

水平管加压密相煤粉气力输送沙丘流的数值模拟

对Johnson等提出的摩擦正应力模型和Syamlal等提出的摩擦剪切黏度模型进行了修正,并将其与颗粒动理学理论相结合,建立了可以描述加压密相气力输送的气固湍流流动状况的三维多相流模型.该模型充分考虑了颗粒间碰撞和摩擦力作用,以及气相和颗粒团湍流脉动之间的相互作用.采用该模型对加压密相气力输送水平管沙丘流流动特性进行了三维数值模拟,并预测了单个沙丘和连续沙丘的形成及运动状况.结果表明:随着表观气速的增加,煤粉颗粒浓度减小,压降梯度呈现先减小后增大的趋势;在横截面上,煤粉颗粒分布呈现上窄下宽的趋势,且煤粉颗粒在管道底部沉积,并呈现月牙形状.模拟结果与试验结果吻合较好.     

流化床密相区流动特性的数值模拟

流化床内气固两相流动一直是实验研究和数值模拟的热点。基于Eulerian双流体模型,本文建立了流化床内的气固两相流动模型,采用FLUENT软件对流化床密相区两相流动特性、床内气泡的产生运动和爆裂等特性进行了数值模拟。模型中,将颗粒相看作是连续介质,建立与气相相同形式的数学模型;采用了离散介质动力理论,引入颗粒温度来描述固相粘性应力,并用气固曳力进行气固两相耦合。模拟得到了气泡产生、运动和爆裂的变化过程,与实验结果相一致。采用不同的曳力模型对流化床稠密两相流动进行了模拟,与Kuipers实验对比,结果表明采用Gidaspow曳力模型描述流化床稠密两相流动特性更准确。     

垂直管密相输送的数值模拟

基于稠密气体分子运动论和颗粒动力学,应用稠密气固两相流动的欧拉一欧拉双流体数学模型,利用数值方法模拟模拟垂直管内上升流动的行为,得到了气相和颗粒相速度分布以及压力损失.将该模型运用到垂直管高压密相(输送压力3 MPa、最大固气比426 kg/m3)气力输送中,结果表明模型预测的压降梯度与实验测量结果相符合.     

基于修正的颗粒动理学模型超细颗粒聚团流动模拟研究

为解决超细颗粒多尺度气固两相聚团流动问题,对颗粒弹性模量和颗粒粘度经验公式进行修正。采用修正的周涛-力平衡模型来描述颗粒间的微观聚团过程,得到改进的颗粒动理学模型(KTGF),并结合气相方程,建立适合超细颗粒气固两相聚团流动的数学模型。对流化床和聚并器内的超细颗粒聚团气固两相流动过程进行数值模拟。结果表明:采用改进模型后计算误差减少了64. 8%,与实验结果更接近。在聚并器中,肋片间距和布置对团聚效果有很大影响,当扰流圆柱和肋片间距为325 mm,相邻肋片间距为200 mm,肋片旋转30°布置时,可提升聚团效果。     

气固流化床的离散颗粒运动-碰撞解耦模型与模拟

基于分子动力学和气固两相流体动力学，建立流化床稠密气-固两相离散颗粒运动-碰撞解耦模型，采用硬球模拟方法处理颗粒与颗粒之间的碰撞，及大涡模拟方法处理气相湍流流动．单颗粒运动满足牛顿第二定律，颗粒相和气相相间相互作用的双向耦合由牛顿第三定律确定，数值模拟二维鼓泡流化床内稠密气-固两相流动，得到了气泡的形成、发展及颗粒的流化过程，计算结果表明颗粒弹性恢复系数影响气-固两相流动特性。     

垂直弯管段高压密相煤粉气力输送特性的数值模拟

基于以氮气为输送介质的高压密相煤粉气力输送,在现有壁面模型和颗粒动力学基础上,充分考虑弯管中对气固两相流动特性起主要作用的摩擦应力的影响,建立了高压密相煤粉气力输送一体化管道(垂直管、弯管和水平管连在一起)的多相流新模型.采用该新模型模拟垂直向上转水平弯管内的气固两相流动特性,分析了补充风体积流量对弯管内固相速度、体积分数、湍动能分布以及垂直弯管压降的影响.结果表明:考虑摩擦应力后模拟所得弯管压降与试验值的误差减小至20%以内,验证了该模型的正确性;随着补充风体积流量的增大,垂直弯管压降先增大后减小,表观气速增大,垂直弯管壁面外侧煤粉堆积减少,低体积分数区范围增大,固相湍动能和固相拟温度均有所增大,当补充风体积流量达到1.0m3/h时,固相湍动能和固相拟温度均减小.     

流化床内非等密度双组分颗粒流动特性的研究

基于颗粒动力学和气固两相流体动力学,建立流化床稠密气一固两相非等密度双组分颗粒运动碰撞解耦模型,采用硬球模拟方法研究颗粒间碰撞,大涡模拟方法研究气相湍流流动。基于牛顿第二定律建立单颗粒运动方程,应用牛顿第三定律确定颗粒相和气相相间相互作用的双向耦合。数值模拟二维鼓泡流化床内非等密度双组分颗粒气一固两相流动,计算结果表明颗粒弹性恢复系数影响分层流动特性。     

气固两相Y型分支管网流量分配特性的试验研究与数值模拟

在水平Y型分支管道中,采用压缩空气作为输送动力,小米作为输送介质进行气力输送试验,对分支管道的固体流量分配特性进行了研究.试验表明,变动支管与主管中轴线夹角与气体表观速度对固相分配特性具有较大影响.同时,采用Euler-Lagrange两相流研究方法,固相采用离散相(DPM)模型,采用Fluent软件对3种不同夹角的Y型分支管内气固两相流动进行了数值模拟.模拟结果较好地预估了颗粒在分支处的流动形态、颗粒在分支管内的运动轨迹,以及重新实现颗粒相流场均匀分布所需的距离.通过对分支管内固体颗粒质量分配的数值模拟结果与试验结果比较,发现两者之间相对误差较小.     

烟气脱硫塔内气固流动耦合特性探讨

采用直接模拟蒙特卡诺法(DSMC)与欧拉法相结合的数值计算方法,对烟气脱硫塔内两相湍流中固相颗粒质量承载率对气相场的影响进行了研究.在塔内颗粒 Stokes 数保持在 1～100 范围内时,通过逐渐增加颗粒质量承载率,对塔内气固流动耦合特性进行了分析,获得了不同颗粒质量承载率下塔内气固流动特征、颗粒浓度沿轴向分布、气相轴向速度沿径向分布以及床层压降曲线.结果表明,在颗粒质量承载率不大于O.031时,颗粒流动追随性较好,呈气力输送流态,此时颗粒运动对连续相场的影响极小,可以忽略不计;当颗粒质量承载率大于0.031后,床内气固流动耦合作用加强,离散颗粒的运动对气相场影响明显,气、固两相流动特性相互依赖,呈现出明显的非稳态、非均匀性;在颗粒质量承载率较大时,床层压降与离散颗粒场分布密切关联.     

固液两相流对离心泵压力脉动特性的影响

为了研究含沙水流下径向式导叶离心泵内的压力脉动变化规律,采用大涡模拟和Mixture多相流模型相结合的数值模拟方法,并结合SIMPLEC算法,对输送固液两相流介质的径向式导叶离心泵进行了全流道三维非定常数值计算,并在叶轮与导叶交接面及蜗壳出口段处,将固液两相介质与清水介质时的计算结果进行对比分析。数值计算结果表明,离旋转轴越远处压力脉动幅值越小;导叶与蜗壳内叶频是压力脉动主要频率,且在1倍叶频处最大;导叶内压力脉动幅值均大于蜗壳内,且随着颗粒粒径的增大,压力脉动幅值逐渐减小;蜗壳隔舌处的压力脉动幅值大于蜗壳其他部位;在叶轮与导叶交接面处,清水介质时压力脉动幅值大于固液两相介质时,固液两相介质时脉动波形滞后于清水介质时0.003 5 s;蜗壳出口段,固液两相时压力脉动幅值均大于清水时。     

浓相粉煤灰气力输送差压波动ARMA功率谱分析

在料罐体积均为0．6m^3,输送管内径为20mm,输送距离为20m的试验台上进行浓相气力输送试验研究。采用ARMA功率谱分析输送过程中固气比对气体表观速度、压力损失和能量在频域分布的影响。结果显示：随着固气比的增加,表观速度降低,单位长度的压力损失逐渐增大,差压波动逐渐减小;功率在频域内分布随着固气比增大逐渐向低频移动,主峰峰值也随之增大。这些均与粉煤灰流动形态有关。它揭示了功率在频域内的分布情况,对研究管内运动和能量交换提供了新的研究途径。     

流型对循环流化床径向气体混合影响的试验研究

在提升段净高为4.0 m、内径0.19 m的循环流化床冷态试验台上进行了快速床和气力输送两种流型中径向气体混合的试验研究,试验用物料为河沙,d_p=120 μm,真实密度ρ_s=2 400 kg/m~3.试验台颗粒循环流率(G_s)和流化风速(U_g)可独立控制,根据床层上、下部压力梯度随流化风速的变化关系判断快速流态化的存在区域.采用柱塞流模型,用CO_2作为示踪气体进行3种风速下的径向气体混合试验,得出了快速床和气力输送两种流型中气体径向扩散系数Dr随颗粒浓度变化的趋势.研究发现,在气力输送流型中Dr随颗粒浓度增加而减小,在快速床流型中Dr随颗粒浓度增加而增大.结合固体颗粒在不同流型中的存在状态解释了流型对Dr的不同影响作用.     

消光信号互相关测量固体颗粒群二维平均流速

利用颗粒群经过上下游不同光束时所产生的消光信号之间的相似性，互相关计算得到颗粒群的二维流速。对石灰石和煤粉颗粒的试验结果表明：该方法测量误差和标准偏差均在10％以内，具有较高的测量精度和稳定性，对不同种类、不同粒径颗粒的适应性较强。对影响测量精度的两大关键因素进行了讨论：①测量区域内的颗粒总数；②上、下游光束间距。图4参4     

Simulation of horizontal slug-flow pneumatic conveying with kinetic theory

Wavelike slug-flow is a representative flow type in horizontal pneumatic conveying. Kinetic theory was introduced to establish a 3D kinetic numerical model for wavelike slug gas-solid flow in this paper. Wavelike motion of particulate slugs in horizontal pipes was numerically investigated. The formation and motion process of slugs and settled layer were simulated. The characteristics of the flow, such as pressure drop, air velocity distribution, slug length and settled layer thickness, and the detailed changing characteristics of slug length and settled layer thickness with air velocity were obtained. The results indicate that kinetic theory can represent the physical characteristics of the non-suspension dense phase flow of wavelike slug pneumatic conveying. The experiment in this paper introduced a new idea for the numerical calculation of slug-flow pneumatic conveying. Translated from Journal of Engineering Thermophysics, 2006, 27(1): 75–78 [译自: 工程热物理学报]     

Numerical investigation of drop dynamics in presence of wettability gradient inside a serpentine channel of proton exchange membrane fuel cell

Water management significantly affects the performance of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Therefore, interest is felt to numerically investigate water droplet movement and slug formation inside the microchannel (gas) of PEMFC. Two important parameters—water coverage ratio and pressure drop have been studied in detail. A U-shaped geometry with a round corner is used for this purpose. 3D unsteady-state models are used to study the drop dynamics using commercial CFD software ANSYS FLUENT 18. For tracking of water drop dynamics, the volume of fluid model is used. Two different situations are simulated. In the first case, the investigation of hydrodynamics of the 0.4 mm drop adhered to the surface of the gas diffusion layer (GDL) has been done. In the second case, simulation of air-water slug flow has been done. GDL surfaces at upstream and downstream of bend are modified using user-defined functions, such that the GDL surface has a dynamic contact angle with respect to the direction of flow. This makes it a continuously hydrophilic surface at upstream and continuously hydrophobic surface at downstream with respect to the direction of flow. The impact of GDL wettability on water retention and removal has been discussed. It is noted that the presence of a gradient facilitates the removal of water drop adhered to the GDL surface. For the case of a suspended drop with an increase of 1°/mm in the magnitude of the gradient, a decrease of 30% is observed in water coverage ratio and pressure drop observed in the channel. Such modified surfaces aids in the conversion of slugs to film at the downstream of bend that reduces maldistribution. The pressure fluctuations and average pressure drop are reduced by 66% when subjected to the aforementioned hybrid gradient.